Garantir une offre adaptée à la demande de composants en carbure de silicium (SiC) de nouvelle génération

Les composants basés sur les technologies à large bande interdite (wide-bandgap, WBG) telles que le SiC sont essentiels pour améliorer l'efficacité des applications industrielles, automobiles et d'énergies renouvelables.

De multiples applications peuvent bénéficier des caractéristiques avantageuses des composants SiC

Dans cet article, onsemi examine comment les composants SiC de nouvelle génération évolueront pour permettre un rendement encore plus élevé et des facteurs de forme plus petits, et explique également pourquoi une chaîne d'approvisionnement robuste est essentielle pour les entreprises qui adoptent la technologie SiC.

Les progrès de la technologie MOSFET, des boîtiers et des modules de puissance contribuent à améliorer l'efficacité énergétique et à réduire les coûts dans une large gamme de systèmes industriels tels que l'infrastructure de recharge des véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable tels que les applications solaires photovoltaïques (PV). Cependant, équilibrer coût et performances constitue un défi permanent pour les concepteurs qui doivent fournir plus de puissance sans augmenter la taille des onduleurs solaires ou leurs coûts de refroidissement. Cela est nécessaire car un prix abordable pour une recharge sera un facteur déterminant pour l’adoption accrue des véhicules électriques.

L’efficacité d’une automobile est liée à la taille, au poids et au coût de l’électronique embarquée, qui ont un impact sur l’autonomie du véhicule. L’utilisation du SiC à la place de modules de puissance IGBT dans un EV/HEV peut apporter des améliorations significatives en termes de performances, en particulier au niveau de l’onduleur de traction, ce qui contribue de manière significative à l’efficacité globale d’un véhicule. Un véhicule de tourisme léger fonctionne principalement dans des conditions de faible charge, où les avantages en termes d'efficacité du SiC par rapport à l'IGBT sont les plus évidents. La taille et le poids du chargeur embarqué (onboard charger, OBC) ont également un impact sur l'autonomie du véhicule ; il doit donc être conçu pour être aussi petit que possible – la fréquence de commutation plus élevée des composants WBG joue un rôle essentiel à cet égard.

Avantages de la technologie SiC
Pour minimiser les pertes de conversion d'énergie, il faut utiliser des commutateurs de puissance à semi-conducteurs qui offrent les meilleurs caractéristiques-clés. L’amélioration des performances des dispositifs semi-conducteurs à base de silicium utilisés dans les applications de puissance (IGBT, MOSFET et diodes), combinées à l'innovation au niveau des topologies de conversion de puissance, ont conduit à des avancées significatives en termes d'efficacité. Cependant, après avoir été poussés à la limite de leurs capacités théoriques, ils sont désormais remplacés par des semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels que le SiC et le nitrure de gallium (GaN) dans les nouvelles applications.

La demande pour des performances supérieures, une plus grande densité de puissance et une meilleure fiabilité est un défi qui repousse les limites, même pour le SiC. Sa propriété de large bande interdite lui permet de résister à des tensions plus élevées (1 700 V à 2 000 V) que le silicium. En même temps, il présente également une mobilité électronique et une vitesse de saturation intrinsèquement plus élevées. Cela lui permet de fonctionner à des fréquences et des températures de jonction nettement plus élevées, deux propriétés hautement souhaitables pour les applications de puissance. De plus, les dispositifs à base de SiC peuvent commuter avec des pertes relativement faibles, ce qui signifie que la taille, le poids et le coût des composants passifs requis sont réduits.



Le SiC apporte de nombreux avantages aux systèmes d'alimentation électrique

Les plus faibles pertes de conduction et de commutation des composants SiC induisent moins de dissipation thermique. Ceci, combiné à sa capacité à fonctionner à des températures de jonction (Tj) allant jusqu'à 175 °C, permet de réduire les besoins en mesures d'atténuation thermique telles que des ventilateurs et des dissipateurs thermiques. Cela permet également de diminuer la taille, le poids et le coût du système et d'assurer une plus grande fiabilité dans les applications à espace limité.

Nécessité de tensions plus élevées
La réduction des pertes à un niveau de puissance requis peut être obtenue en augmentant la tension pour diminuer le courant. C’est pourquoi la tension du bus DC des panneaux photovoltaïques est passée de 600 V à 1 500 V au cours des dernières années. De même, le bus 400 V DC des véhicules légers peut être porté jusqu'à 800 V (et, dans certains cas, jusqu'à 1 000 V). Dans le passé, des dispositifs de 750 V étaient utilisés pour des tensions de bus de 400 V. Aujourd'hui, des composants avec des tensions nominales encore plus élevées (1 200 V à 1 700 V) sont nécessaires pour garantir que les applications fonctionnent de manière sûre et fiable.

Derniers développements dans le domaine du SiC
Pour répondre à ce besoin de composants avec des tensions de claquage plus élevées, onsemi a développé les produits MOSFET EliteSiC M1 1 700 V planaires optimisés pour les applications à commutation rapide. Le NTH4L028N170M1 est l'un des premiers composants à être commercialisé et possède un VDSS de 1 700 V, un VGS étendu de -15/+25 V et une valeur RDS(ON) typique de seulement 28 mOhm.

Ces MOSFET de 1 700 V sont opérationnels à des températures de jonction (Tj) allant jusqu'à 175 °C, ce qui signifie qu'ils peuvent fonctionner avec des dissipateurs thermiques beaucoup plus petits, voire parfois sans dissipateur. De plus, le NTH4L028N170M1 dispose d'une connexion de source Kelvin sur la quatrième broche (boîtier TO-247-4L) pour améliorer la dissipation de puissance et réduire le bruit de grille. Ces commutateurs sont également disponibles dans un boîtier D2PAK-7L pour des parasites de boîtier inférieurs.



Nouveaux MOSFET EliteSiC 1 700 V d'onsemi

Un MOSFET SiC 1 700 V 1 000 m en boîtiers TO-247-3L et D2PAK-7L pour unités d'alimentation auxiliaires hautement fiables dans les applications de recharge de véhicules électriques et d'énergies renouvelables a également été mis en production.

onsemi a développé la gamme D1 de diodes Schottky SiC 1700 V. Cette tension nominale donne à ces composants une plus grande marge de tension entre VRRM et la tension inverse répétitive de crête. Les composants ont une tension directe maximale (maximum forward voltage, VFM) plus faible et un excellent courant de fuite inverse, ce qui signifie que les concepteurs peuvent obtenir un fonctionnement stable à haute tension, même à des températures élevées.



Nouvelles diodes Schottky 1 700 V de Onsemi

Les composants NDSH25170A et NDSH10170A sont disponibles dans un boîtier TO-247-2 ou sous forme de puce nue, avec des variantes 100 A (non emballées) également disponibles.

Considérations relatives à la chaîne d'approvisionnement
Une pénurie de composants disponibles a entravé la production dans certains secteurs de l'industrie électronique. Par conséquent, lors de la sélection d’un fournisseur pour une nouvelle technologie, il est essentiel de prendre en compte sa capacité à honorer les commandes dans les délais impartis. Pour garantir l'approvisionnement de ses clients, onsemi a récemment acquis GT Advanced Technology (GTAT) afin de profiter de son expertise en matière de logistique. onsemi est actuellement le seul fournisseur de SiC à grande échelle qui dispose de capacités de bout en bout, y compris la croissance de lingot en volume, le substrat, l'épitaxie, la fabrication de composants, les meilleurs modules intégrés de leur catégorie et des solutions d'encapsulation. Pour répondre à la croissance prévue des applications SiC, onsemi prévoit de multiplier ses moyens concernant toutes les opérations liées aux substrats et d'augmenter sa capacité en termes de composants et de modules d'ici 2024, tout en prévoyant également une nouvelle expansion dans le futur.

Résumé
Les fonctionnalités des composants SiC permettent aux ingénieurs de relever les défis de densité de puissance et de conception thermique dans les applications automobiles en constante évolution, qu’elles soient renouvelables ou industrielles. Avec sa gamme de MOSFET et de diodes SiC de 1 700 V, onsemi a répondu aux besoins en composants présentant des tensions de claquage plus élevées. La société développe également une technologie MOSFET SiC de 2 000 V pour les applications émergentes de semi-conducteurs pour l'énergie solaire, les transformateurs et les disjoncteurs.

www.onsemi.com

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